Un étudiant danois résout la question de savoir comment l’Univers se reflète près des trous noirs

University of Copenhagen — Niels Bohr Institute
Jeudi 22 juillet 2021 — Dernier ajout dimanche 25 juillet 2021
ASTROPHYSIQUE : À proximité des trous noirs, l’espace est tellement déformé que même les rayons lumineux peuvent s’y enrouler plusieurs fois. Ce phénomène pourrait nous permettre de voir plusieurs versions d’une même chose. Si ce phénomène est connu depuis des décennies, ce n’est que maintenant que nous disposons d’une expression mathématique exacte, grâce à Albert Sneppen, étudiant à l’Institut Niels Bohr. Le résultat, qui est même plus utile dans les trous noirs réalistes, vient d’être publié dans la revue Scientific Reports.
Un disque de gaz incandescent tourbillonne dans le trou noir « Gargantua » du film Interstellar. Comme l’espace s’incurve autour du trou noir, il est possible de regarder de l’autre côté de celui-ci et de voir la partie du disque de gaz qui serait autrement cachée par le trou. Notre compréhension de ce mécanisme vient d’être améliorée par un étudiant danois en maîtrise à l’INB, Albert Sneppen (crédit : interstellar.wiki/CC BY-NC License).

Vous avez probablement entendu parler des trous noirs - ces merveilleux amas de gravité dont même la lumière ne peut s’échapper. Vous avez peut-être aussi entendu dire que l’espace lui-même et même le temps se comportent bizarrement à proximité des trous noirs ; l’espace est déformé.

À proximité d’un trou noir, l’espace se courbe tellement que les rayons lumineux sont déviés, et la lumière très proche peut être déviée à tel point qu’elle fait plusieurs fois le tour du trou noir. Par conséquent, lorsque nous observons une galaxie lointaine en arrière-plan (ou un autre corps céleste), nous pouvons avoir la chance de voir plusieurs fois la même image de la galaxie, bien que de plus en plus déformée.

Des galaxies en plusieurs versions

Le mécanisme est illustré sur la figure ci-dessous : une galaxie lointaine brille dans toutes les directions, une partie de sa lumière arrive près du trou noir et est légèrement déviée ; une autre partie de la lumière s’approche encore plus près et fait le tour du trou une seule fois avant de s’échapper vers nous, et ainsi de suite. En regardant près du trou noir, nous voyons de plus en plus de versions de la même galaxie, plus nous nous approchons du bord du trou.

La lumière de la galaxie d’arrière-plan tourne autour d’un trou noir un nombre croissant de fois, plus elle passe près du trou, et nous voyons donc la même galaxie dans plusieurs directions (crédit : Peter Laursen).

À quelle distance du trou noir doit-on se rapprocher d’une image pour voir l’image suivante ? Le résultat est connu depuis plus de 40 ans, et il est d’environ 500 fois (pour les aficionados des maths, il s’agit plus exactement de la « fonction exponentielle de deux pi », écrite e).

Le calcul de ce facteur est si compliqué que, jusqu’à récemment, nous n’avions pas encore développé d’intuition mathématique et physique quant à la raison pour laquelle il s’agit de ce facteur exact. Mais grâce à quelques astuces mathématiques, Albert Sneppen, étudiant en master au Cosmic Dawn Center - un centre de recherche fondamentale dépendant de l’Institut Niels Bohr et de DTU Space - a réussi à prouver pourquoi.

« Il y a quelque chose de fantastiquement beau dans le fait de comprendre maintenant pourquoi les images se répètent d’une manière aussi élégante. En outre, cela offre de nouvelles possibilités de tester notre compréhension de la gravité et des trous noirs », précise Albert Sneppen.

Prouver quelque chose mathématiquement n’est pas seulement satisfaisant en soi. En effet, cela nous rapproche de la compréhension de ce merveilleux phénomène. Le facteur « 500 » découle directement du fonctionnement des trous noirs et de la gravité, de sorte que les répétitions des images deviennent maintenant un moyen d’examiner et de tester la gravité.

Des trous noirs qui tournent

Fait totalement nouveau, la méthode de Sneppen peut également être généralisée pour s’appliquer non seulement aux trous noirs « triviaux », mais aussi aux trous noirs qui tournent. Ce qui, en fait, est le cas de tous.

La situation vue « de face », c’est-à-dire telle que nous l’observerions réellement depuis la Terre. Les images supplémentaires de la galaxie sont de plus en plus comprimées et déformées à mesure que l’on s’approche du trou noir (crédit : Peter Laursen).

« Il s’avère que lorsque la galaxie tourne très vite, il ne faut plus se rapprocher du trou noir par un facteur 500, mais beaucoup moins. En fait, chaque image n’est plus que 50, ou 5, ou même jusqu’à seulement 2 fois plus proche du bord du trou noir », explique Albert Sneppen.

Le fait de devoir regarder 500 fois plus près du trou noir pour chaque nouvelle image signifie que les images sont rapidement « comprimées » en une seule image annulaire, comme le montre la figure de droite. En pratique, les nombreuses images seront difficiles à observer. Mais lorsque les trous noirs tournent, il y a plus de place pour les images « supplémentaires ». Nous pouvons donc espérer confirmer la théorie par l’observation dans un avenir pas trop lointain. De cette manière, nous pouvons en apprendre davantage non seulement sur les trous noirs, mais aussi sur les galaxies qui se trouvent derrière eux :

Le temps de parcours de la lumière augmente, plus elle doit faire le tour du trou noir, de sorte que les images sont de plus en plus « retardées ». Si, par exemple, une étoile explose en supernova dans une galaxie en arrière-plan, on pourra voir cette explosion à plusieurs reprises.

L’article d’Albert Sneppen vient d’être accepté pour publication dans la revue Scientific Reports, et peut être lu ici : Réflexions divergentes autour de la sphère de photons d’un trou noir. en français [1] ou l’original en anglais

[1Si vous y trouverez des erreurs de traduction, merci de me les pardonner et de me les signaler.

Voir en ligne : Danish Student solves how the Universe is reflected near black holes

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